中国石油大学华东电气工程与其自动化专业综合实践报告.doc

电气工程及其自动化
专业综合实践报告

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学 号：

一.本专业综合实践目的 1
二.主要训练内容 1
三.电路组成以及原理分析 1
1、交流电机的降压起动原理 1
2、双向晶闸管的相控调压 2
四.控制系统的硬件电路分析 2
五．各部分电路的原理与分析 4
1.滞环电压比较器 4
2.单稳移相电路 5
3．锁相同步倍频器 6
4．EEPROM存储模式及触发脉冲的产生 8
5、模式选择控制电路 9
6.错序封锁电路 10
六.晶闸管驱动电路 12
七.电源板 13
八.主电路部分 13
九、各环节调试波形及分析 14
（1） 电源脉冲输出波形 14
（2） 驱动电路脉冲输出 14
（3） 控制电路输出 15
十.思考讨论 23
十一．调试与解决 26
十二． 总结 26

一.本专业综合实践目的
本专业涉及多门学科，包括电机拖动、电力工程、电子技术、自动控制、计算机控制，多学科渗透，强弱电结合，特别是对动手能力要求较高。为了给本专业学生提供更多的动手实践机会，提高学生的实践技能，教学培养计划中专门安排了专业综合实践环节，并且为了提高其实践效果，本系专门花费了相当大的人力物力，来给大家创造一种实践训练的机会。
二.主要训练内容
1.各部分原理分析；
2.焊接、组装（控制、驱动、电源）；
3.各部分电路分别调试及系统联调；
4.多种仪器设备的使用与电路波形测试。
三.电路组成以及原理分析
1、交流电机的降压起动原理
降压起动的目的：降低起动电流Ist。
降压后的机械特性：
交流电机轻载降压运行，可以提高电机效率，避免“大马拉小车”，节约电能。

图1 感应电机机械特性 图2 软启动主电路
2、双向晶闸管的相控调压
普通晶闸管：两个普通晶闸管反并联，输入两路脉冲。
双向晶闸管(KS)：两个主电极T1、T2，一个门极G。通常在G-T2之间加入触发脉冲，使其导通。

图3 单双向晶闸管示意图
触发脉冲经过高频调制，以减小脉冲变压器的体积。
相控调压的缺点：功率因数低，电流非正弦对电网有谐波污染。
软起动：电机刚起动时a较大。a逐渐减小，转速接近稳态时a=0°。a的调压可控范围：j~180

图4 相控调压触发角示意图
四.控制系统的硬件电路分析
由于交流电机的转速与其端电压成正比，而端电压又取决于导通角的大小，因此，通过控制导通角的大小即可控制电机的转速。设计一个初始角度，以后每隔一定的时间给导通角一个小的增量，即可实现电机的平滑起动。
晶闸管的导通角控制采用数字存储技术，事先通过编程，将要应用的触发脉冲数据写入存储器中，然后通过合适的控制方案，再读出这些数据交易利用，便可控制晶闸管的导通角不断变化，本设计中采用EEPROM2864。
实验板主要包括：滞环电压比较器、单稳移相电路、锁相倍频环节、EEPROM存储模式及触发脉冲的产生、错相序封锁控制电路模块，及驱动电路、主电路等。
控制板上，线电压信号uab经过滞环电压比较器产生同步方波，方波移相后，与相电压ua同相位，然后经过锁相倍频，频率变为256*50HZ，作为计数器74393的时钟信号，74393产生8路分频信号，连接到EEPROM2864的地址线，从而读出2864事先存储的数据，输出触发脉冲。
考虑到实验中三相相序可能接错，设计中采用了错相序封锁控制。若相序接错，则封锁缓冲器74244的输出，没有触发脉冲输出，晶闸管不能导通；只有当相序完全正确时，才能输出触发脉冲，导通晶闸管。

图5 控制电路框图
五．各部分电路的原理与分析
1.滞环电压比较器
滞环电压比较器能提高电路的抗干扰能力，因为电路在翻转点单向灵敏，即只有输入信号沿某一方向越过翻转点变化时，输出发生翻转，而输入沿另一方向越过该翻转点变化时，输出不翻转。从而可以将工频50Hz正弦波变换为同步的标准TTL方波。
电路中引入正反馈，一方面加速了输出电压翻转过程，另一方面给电路提供了双极性参考电平，产生回环。实验中滞环电压比较器如图所示，其主要作用是将正弦信号转换为标准的TTL方波，便于后续电路的使用。该比较器采用LM393实现，双电源供电方式，有利于调试。滞环电压比较器原理图如图所示：

图6 滞环电压比较环节原理图
滞环比较器的输出为-12V~+12V，经过电平调理电路，后接‘非’门。采用两次反相，主要是因为电路产生的方波并不是非常标准，低电平有负值，高电平有时不足4.2V，当后续电路工作时，高电平被拉得很低，并且有凸峰，不利于后续电路的工作。加上反相器后，将原来波形变成标准的TTL方波。
滞环回差的作用：在过零点附近，若迭加有杂波干扰，不会导致的多次跳变而造成同步紊乱，只要干扰幅度不超过。
2.单稳移相电路
实验中利用相电压产生触发脉冲，如果用线电压信号，就会造成触发紊乱， 单稳移相电路就是为了把线电压转换成相电压而设计的。
在本设计中用74ls122实现，如下图，调节VR2使122的输出Q的上升沿比滞环电压比较器的上升沿（B2口）延 迟30°，由于是要保证上升沿同步，故取Q的反作为输出。
相对应的调节时间为。

图7 单稳移相电路原理

图8 控制角波形图
3．锁相同步倍频器
采用集成锁相环CD4046完成工频50HZ的同步和256倍频，如图6所示。基本原理如下：鉴相器PD将AIN与BIN的相位进行比较，产生一个与二者的相位差成正比的误差电压V（t），再经由LPF滤波，得到控制电压Vd(t),并加到VCO的控制端。VCO的输出经一个计数器进行8分频后，再送至鉴相器，进而与输入进行相位比较，最后使二者的相位差恒定，从而实现锁相。
硬件原理图如下图所示。

图9 锁相同步环工作原理
工频50Hz同步是应相位同步的要求，256倍频是应128个起动模式的要求。
相位锁定的基本原理是：当计数回零时，BIN输入一个上升沿，此沿与同步信号AIN上升沿对齐从而保证计数器在电网正半周0°时开始从0开始计数。
如果某一时刻，AIN和BIN的脉冲的上升沿没有对齐，那么在鉴相器内部便会产生电压差，使压控振荡器输入端的电压变髙或变低，从而改变倍频的频率。

图10 锁相环输出特性
当BIN比AIN滞后一个小的角度，那么鉴相器就会产生正的电压差，压控振荡器输入端 的电压变高，倍频频率上升，最终完成AIN和BIN的对齐；当BIN比AIN超前一个小 的角度，那么鉴相器就会产生负的电压差，压控振荡器输入端的电压变低，倍频频率下 降，最终也完成了 AIN和BIN的对齐。BIN 为8位计数器输出的第8个管角，即Q7可见其频率是50Hz。AIN为工频电网相位信号。通过这样的动态调节，VCO输出的256*50Hz的脉冲就可以保持和工频电网相位的对准了。
4．EEPROM存储模式及触发脉冲的产生
电可擦除的可编程ROM，简称EEPROM。有四种工作方式，即读、写、字节擦除、整体擦除。实验中使用EEPROM2864。

图11EEPROM存储脉冲示意图
事先编程产生数据代码，以汇编方式固化存入EEPROM。其外部连接如图所示：

图12EEPROM外部连接图
实验中A~A用于模式选择，即导通角的大小。A~A用于在每个正弦周期产生脉冲，即根据导通角的大小，选择连续脉冲的宽度。4位计数采用74161实现，不断变换模式。8位计数循环扫描采用74393实现。
总结构如下图：
总的思想为：由256倍频的时钟驱动8位计数器循环扫描，得到输出信号：00—FF—00—FF……，8位计数器输出信号作为存储器低8位地址线A0～A7的输入，用于每种模式的脉冲产生，A8～A11用于选择模式，即导通角的大小。每一次扫描将内存中对应地址的数据（事先保存好的）读出。这样，每完成一次计数扫描，正好实现一个周期的脉冲触发，在这里，输出为八位，由于只有三相，有效位为D0，D1和D2，如下图所示：

图13 2864存储模式工作原理
5、模式选择控制电路
16种工作模式由计数器161实现，调节555的时钟周期作为161的时钟触发clk就可以调节每种模式保持的时间。多谐振荡器555的结构如下图

tH=0.693(R25+ VR6) C15
tL=0.693 VR6*C15
T=0.693(R25+ 2VR6) C15

调节VR6，使得频率为0.1HZ，则每个模式将执行10s。

图14 多谐振荡器555工作原理

6.错序封锁电路
当三相相序接错的时候能够自动封锁74LS244的输出，禁止系统运行，避免事故的发生。由于实际工频交流电源很少有中线，因此控制电路一般都是采集线电压信号。实验中利用与之间的相位差，分别延时后相“与”，从而判断是否错相序，实现相序控制。利用光耦4N25，将交流信号转换为方波。电压高达380V，要求二极管耐压高，功率大，是正半周光耦导通时，发光二极管电流10mA左右。
原理图如下：

图15错相序封锁控制波形图
实验时，按先后顺序将各部分单独焊接调试。先不接错相序封锁部分，通过跳线控制74244的输出。跳线接在GND时，74244正常输出。当跳线接在LM393的7脚输出时，74244由错相序部分控制输出。
相序正确时，Uab比Uac超前60°，即Uab比Uac超前3.3ms，74LS08输出1ms的高电平脉冲，在74122的延时作用下输出高电平，74244正常工作，发光二极管正常发光，错序时则封锁。
采用Uac时，相位检测电路用4N25光耦隔离同步检测电路，原理图如下：

图16 光耦隔离同步检测电路
六.晶闸管驱动电路
为了产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通，同时实现隔离控制电路与主电路，需采用晶闸管驱动电路。本设计中，A相采用光耦MOC3052及外围电路，B、C相采用三极管9013和脉冲变压器及外围电路，其中B相采用两个单向二极管反并联，而A、C相采用双向晶闸管。

图17 A相光耦驱动工作原理
20 R4

图18 B、C相9013三极管驱动原理
上原理图中，VD1和R3很重要，构成了续流之路，若无R3，则电流衰减慢，不能在下一个脉冲到来之前时磁通复位，则会造成饱和。同时因为续流之路的存在，使9013在关断瞬间的集电极电位大为下降。
电阻R1起限流作用，R2可提高电路的稳定性，电容可以滤除低频谐波。
晶闸管驱动的关键在于门极的脉冲电流必须有足够大的幅值和持续时间，以及尽可能短的电流上升时间。测量结果驱动幅值约为1V左右，持续时间约为20us，满足晶闸管的触发要求。同时，由于A相采用光耦触发，无法测量其对应的波形，只能在实际中检测。
七.电源板
组成：交流电源电路、直流电源电路、测试脉冲产生电路。
作用：产生系统所需要的交流电、直流电和测试脉冲。

八.主电路部分

九、各环节调试波形及分析
（1） 电源脉冲输出波形

（2） 驱动电路脉冲输出

B1相输出 B2相输出

C相输出
（3） 控制电路输出
滞环比较环节：

LM393比较器1输出 输出TTL标准电平

如图所示，比较器1的输出符合滞环曲线的特性，输出正负12V的高低电平，调节了电位器VR1使VH=0V，保证了输出电平与线电压Uab的同步，读取回差为5V。但是读取波形发现比较器1的输出高电平带弧状，可能是由于之后的负载电路中含有电容导致的充放电效应，也有可能是因为工作线性和非线性区或是饱和和非饱和区的原因。
单稳移相环节：

相移30°波形对比 CD4046AIN与BIN同频同相
线电压移相30°后变为相电压，晶闸管的导通角是从相电压过零点算起。
锁相同步倍频器：

通过鉴相器，保证了两个输入端口信号的同步，这里的同步指的是上升沿同步。选取倍频计数的输出及Q0到Q3四个口的输出依次如下：

Q3输出 Q2输出

Q1输出 Q0输出
不同模式下触发角的大小：
实验中，通过改变555定时器的定时时间，每隔10S，运行模式发生一次改变，角由大变小，最终为0°，起动过程结束并通过控制板上发光二极管的亮灭来识别当前的运行模式。

模式15 模式14

模式13 模式12

模式11 模式10

模式9 模式8

模式7 模式6

模式5 模式4

模式3 模式2

模式1
各触发模式对应触发角
工作模式
A相对应时间（ms)
A相角度
0
8.2
147.3
1
6.6
118.56
2
6
107.78
3
5.4
97
4
4.8
86.23
5
4.6
82.63
6
4.3
77.04
7
4
71.86
8
3.8
68.26
9
3.2
57.49
10
2.7
48.5
11
2
35.93
12
1.5
26.95
13
1
17.96
14
0.4
7.19
15
0
0
错相序封锁控制：
检测相序：

Uac超前Ubc 60

光耦之后LM393输入与输出 1ms延时

5ms延时 74LS08输入

u1超前u2 60度 74LS08输出（u1与u2相与）
带灯箱负载波形
随着模式由0变到15，相电压波形越来越完整，并接近正弦。在达到最后一个模式时，电压波形为完整的平滑正弦波。

模式1 模式2

模式5 模式8

模式14 模式15
十.思考讨论
1．分析计算滞环比较器的VH与VL的调节范围。若使VH=0，电位器VR1应调多大？输出高电平应为多少伏，与何参数有关？
答：由公式,由，当时,=151.4。
输出高电平应为12V，与比较器的供电电源电压有关，还与后面的整形调理电路中的相关分压电阻阻值有关。
2．移相30°，单稳为什么不从Q端输出？计算移相时间。该单稳对输入脉冲宽度有何要求？若前级的滞环比较器VH调得不是0V而是+0.5V，可否通过对单稳移相时间的调整予以补偿，这样做会存在何缺点？
答：通过单稳移相30°从线电压Uab得到相电压Ua,需得到与同步的上升沿，输出为上升沿触发脉冲。
移相时间：ms。
若前级的滞环比较器VH调得不是0V而是+0.5V，可以通过单稳移相来调整。
缺点：对不同幅值的正弦输入，不能保证移相角度正确。
3．错相序封锁部分的电路，设Uac为380V，光耦输入侧发光二极管的额定电流取9mA，试选择确定R13的阻值和瓦数。分析二极管D2的作用。
答：因为光耦侧发光二极管的额定电流为9mA，所以R13的阻值为 (380-1.4)/9= 42.07 K ，可取为40K，其功率为9^2*40*10^(-3)=3.4W
二极管D2的作用是使的Uac只导通正半周。
4、在原理图上找出U1~U4的对应位置并标出。U1.U2.U4对应的单稳与30°移相的单稳，两者工作原理和所起的作用有何区别？为何从Q端输出？若U1.U2的脉宽对调，会带来什么问题（结合波形）？
答：他们的工作原理相同，只是所起的功能不同。U1.U2.U4对应的单稳的输出是为了判断Uab和Uac相序是否正确。从Q端输出的才是Uab和Uac的相位。若U1.U2的脉宽对调，此时，U4将一直是低电平，导致输出无法正常工作。
5、分析运放LM393（2）：B的上电延时封锁控制原理，确定其上电后的延时时间。
答：刚上电时，C5初始电压很小，LM393输出高电平，使74244的3路输入信号被封锁，输出处于高阻态，当电容充电电压超过2.5V左右，运放输出变低，解除封锁，74LS122开始工作。
6、在控制板上找出封锁延时部分与模式选择计数器（74161）的MR端的连线，分析其作用及原理。
答： 封锁延时的输出通过电容与模式计数器相连，开始上电时，由于电容电位低，MR端得到低电平，使计数器不工作，待到电容充电结束，计数器工作正常。
7、 在控制板上确定4位发光二极管的排列顺序。
答： 控制板板面向上，自右向左依次为Q0~Q3。
8、74LS161的计数保持作用与原理分析
答：当74LS161计数到第15个时钟脉冲，TC由0变1，形成一个正脉冲，将PE置零，置入P0~P3数据，输出保持全1，即保持最后一个模式不变。
9、若要求启动时间为160s,试确定有关555的外围参数。
答：要求启动时间为160S，又因为有16种模式，那么每种模式持续时间就是10S，即555的输出的矩形波的周期为10S。根据，可得=132K
10、结合图12分析：LM393-A输出波形的高电平带有弧状的原因；
答：可能是由于之后的负载电路中含有电容导致的充放电效应，也有可能是因为工作线性和非线性区或是饱和和非饱和区的原因。
11、 在图9所示锁相环电路中，分析其中的非门所起的作用，结合锁相环在保证晶闸管触发角与电网同步方面所起的作用，分析若将非门移除不用，对同步触发会带来何种影响？
答：当八位计数计满256分频时，Q7由1变0为下降沿，f1为上升沿，要保证锁相成功，须加非门反相。若没有非门，在记满128时鉴相器开始比较，相当于在计数中间时，即延迟了半个周期，仍可以同步触发。
12、试分析A相主电路的光耦隔离驱动原理，该驱动电路相比较脉冲变压器隔离驱动方式有何优点？其门极驱动的能量来源在哪里？
答：当A相输入正的电压时，发光二极管工作，使MOC3052内部的光敏晶闸管导通，从而给主电路提供触发脉冲。
使用光耦MOC3052实现脉冲触发电路和强电的隔离，和B、C相使用脉冲变压器实现强弱电隔离相比，该电路简单可靠，工作稳定。
门集驱动的能量来自主电路
13、 主电路负载Y0接，若用双踪示波器同时观察C相的负载电压和门极触发波形，应如何连接两探头？
答：由于C相触发脉冲的C-为公共端，所以用示波器地端接C-，用红探头分别接C+与负载另一端。
十一．调试与解决
1、电源板调试起始时都是正确的，输出电压以及脉冲波形都很正常，但是在调试晶闸管驱动电路时发现B、C相波形并没有输出，后来检查发现是电源12V电压没有输出，经检测是7812芯片的问题，换完芯片后，调试正常。
2、在接入灯箱进行测试时，在刚开始时C相白炽灯就非常亮，我们怀疑是触发脉冲并没有起作用，我们采取一一排查的方法先后查验了驱动板的C相输出以及控制板的C相，均正常，最后确定是主电路板出现了问题，通过检查，发现C相晶闸管出现问题，解决后C相白炽灯由模式0到15慢慢变亮，波形正常。
十二． 总结
本次专业综合实践，我们用到了电力电子技术、模拟电子技术、数字电子技术和电机与拖动基础等科目，是综合性最强的一次课程设计。此次课设不仅考查我们的动手实践能力，更要求我们调试电路解决问题的能力。通过为期两周的实践，我确实从中学到了很多，不仅是对于相关专业知识的进一步学习，也对电路的焊接和调试有了更加熟练的掌握和认识。尤其是电路的调试，发现问题后解决问题时一定要有条理和耐心，一点一点进行排查，综合运用各门学科的知识，分析可能出现的情况。我们组的电路出现的问题较少，这和我们在电路焊接时的谨慎和认真密切相关，最后在小组成员的共同努力下，我们最终完成了本次专业综合实践，在这里，我们要感谢老师在实验的过程中提供的悉心指导以及同学们的帮助，谢谢！